组合式烧结隔墙板-钢筋混凝土框架结构抗震性能研究.pdf

晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂0引言轻质隔墙板具有轻质高强、保温隔声、工业化生产、装配式施工等优点，随着装配式建筑的发展及墙材革新政策的落实，传统烧结砖企业为了转型升级，研发了一种新型的轻质隔墙板组合式烧结隔墙板，其以页岩、工程弃土等为原料，经破碎、陈化、挤出、干燥、焙烧等工序制成的宽度500 mm、高度300mm 的砌块，并在工厂经拼块、粘接和钢筋增强等工艺制成长宽比不小于 2.5 的建筑内隔墙用的空心板材，如图 1所示。烧结隔墙板具有材料性能稳定、干燥收缩小、防水性能好、不返潮等突出优势，可有效解决传统轻质隔墙板开裂、防水防潮性能差等问题。多次震害表明，填充墙的破坏和倒塌是造成人民生命财产损失的重要原因之一1，因此轻质隔墙板在地震作用下的安全性十分重要。王巧云等2对陶粒混凝土板进行了足尺模型组合式烧结隔墙板-钢筋混凝土框架结构抗震性能研究唐丽娜1，2，章一萍1，2，周练1，2，相敏1，2，王础3（1.四川省建筑设计研究院有限公司，四川 成都610065；2.四川省建筑工业化工程技术研究中心，四川 成都610065；3.成都建工第八建筑工程有限公司，四川 成都610037）摘要：为研究组合式烧结隔墙板-钢筋混凝土框架的抗震性能，对一榀采用柔性连接的组合式烧结隔墙板-钢筋混凝土框架进行了低周反复荷载抗震试验，分析荷载-位移曲线、刚度退化曲线、延性系数等。试验结果表明：当烧结隔墙板与钢筋混凝土框架采用柔性连接时，可有效避免墙板在加载初期的破坏，随着框架变形的增大，墙板对框架起到斜撑作用，有助于提升框架的整体抗震性能，使组合式烧结隔墙板-钢筋混凝土框架结构整体呈现良好的耗能能力和延性。关键词：组合式烧结隔墙板；钢筋混凝土框架；柔性连接；低周反复荷载；抗震性能中图分类号：TU375.4文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）08-0035-05Research on seismic performance of RC frame structure with composite fired wall boardsTANG Lina1，2，ZHANG Yiping1，2，ZHOU Lian1，2，XIANG Min1，2，WANG Chu3（1.Sichuan Provincial Architectural Design and Research Institute Co.Ltd.，Chengdu 610065，China；2.Sichuan Engineering and Technology Research Center of Architecture Industrialization，Chengdu 610065，China；3.Chengdu Eighth Construction Engineering of CDCEG，Chengdu 610037，China）Abstract：In order to study the seismic behavior of composite fired wall boards reinforced concrete frame，the low cycle re原peated loading test was carried out for the composite fired wall boards-RC frame structure.Experiment phenomena，load-displace原ment curves，stiffness degradation curves and displacement ductility factors were given.The results showed when the fired wallboards is flexibly connected with the reinforced concrete frame，it can effectively avoid the destruction of the wall board at the ini原tial stage of loading.With the increase of the deformation of the frame，the wall board acts as a slant support to the frame，whichhelps to improve the overall seismic performance of the frame，and makes the composite fired wall board reinforced concrete framestructure show good energy dissipation capacity and ductility as a whole.Key words：composite fired wall boards，reinforced concrete frame，flexible connection，low-cycle repeated loads，seismic per原formance基金项目：四川华西集团科技项目（HXKX2020/017）；四 川 省 建 筑 设 计 研 究 院 有 限 公 司 院 内 科 研 项 目（KYYN202112）收稿日期：2023-04-20作者简介：唐丽娜，女，1989 年生，硕士，高级工程师，主要从事装配式建筑和建筑新材料新产品研发工作，E-mail：。中国科技核心期刊35新型建筑材料圆园23援081.2材料性能按照 GB 501522012 混凝土结构试验方法标准，对预留的 4 个 150 mm伊150 mm伊150 mm 的标准立方体试块进行轴压试验，测得混凝土试块轴心抗压强度为 29.6 MPa。HRB400级钢筋的力学性能见表 1。表 1钢筋的力学性能1.3加载装置及加载方案1.3.1加载装置及应变片布置试验加载装置如图 4 所示。用 2 根地锚螺杆将试件底部锚固在地上。竖向荷载通过横梁和 2 个框架柱顶的千斤顶施加，作用线与柱形心线重合。通过左右 2 侧作动器在梁的端部施加水平荷载，作用线与梁形心线重合。用 2 块端板将梁 2 端套住，减小加载时梁端的局部变形造成试验误差，将力传感器焊接在端板中心凹槽处，力传感器中心与左右千斤顶作用在同一轴线上。图 1组合式烧结隔墙板振动台试验，研究了墙板结构的动力反应特性。封叶等3研发了一种 EPS 颗粒与 EPS 板相结合的复合保温墙板,并对其力学性能和破坏形态进行了研究。孙剑等4、廖桥等5对比分析了页岩砖和复合夹芯墙板-RC 框架抗震性能，以及墙板与框架的连接形式对框架抗震性能的影响。秦士洪等6对 13 块钩头螺栓连接的 ALC 墙板节点试件进行了平面外荷载试验和有限元模拟，以分析节点的受力性能。虽然国内外学者开展了部分轻质隔墙板-框架抗震性能试验研究，但由于烧结隔墙板的材性与现有轻质隔墙板差别甚大，且组合成型拼缝较多，因此，有必要对烧结隔墙板-框架的抗震性能进行研究，为其推广提供依据。本文以一榀足尺组合式烧结隔墙板-钢筋混凝土框架为研究对象，开展低周往复循环加载试验，研究烧结隔板-钢筋混凝土框架结构的抗震性能，分析烧结隔墙板在地震作用下的损伤模式和破坏机理，以期为烧结隔墙板的推广应用提供参考。1试验概况1.1试件设计试件框架梁、柱截面尺寸分别为 250 mm伊400 mm、400mm伊400 mm，层高 3000 mm，柱距 2240 mm；框架梁柱的纵向钢筋、箍筋采用 HRB400 级钢筋，混凝土设计强度等级为C30，试件尺寸如图 2 所示。烧结隔墙板尺寸为：高度 2560mm、宽度 600 mm、厚度 100 mm。墙板间采用企口和砂浆连接，墙板与主体结构之间采用 U 型连接件进行柔性连接，连接构造方式如图 3 所示。图 2模型尺寸示意钢筋直径/mm抗拉强度 Rm/MPa屈服强度 ReL/MPa8638.0434.018626.7446.7图 3 墙板连接构造示意唐丽娜，等：组合式烧结隔墙板-钢筋混凝土框架结构抗震性能研究36晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂图 4试验加载装置应变片主要布置在梁端、柱端、柱中部和节点区域的纵筋与箍筋上，1#位移计用于监测地梁的水平位移，2#和3#位移计对梁水平位移进行测量，具体布置如图 5 所示。图 5应变片和位移计布置示意1.3.2加载方案竖向荷载采用荷载控制的加载方式，按照设计轴压比 0.3确定加载目标值，分 10 级缓慢、均匀施加，达到预定加载目标值后保持恒定。水平荷载采用位移控制加载的方法。正式加载过程中，以5 mm 为级差循环加载，且每级位移加载均循环 2 次，直至试件水平承载力下降到极限承载能力的 85%以下停止试验。2试验现象及破坏形态当水平位移加载至 5 mm（兹=1/600）时，墙板与墙板拼缝处出现细小裂缝，试件本身无明显变化，水平承载力与位移曲线呈线性变化。当水平位移加载至 10 mm（兹=1/300）时，左、右梁柱节点处各出现 1 条横向微裂缝，梁左端上部、右端下部分别出现 4条、2 条竖向微裂缝，最大裂缝宽度 0.2 mm（见图 6），墙板上部接缝处粘结剂脱落，墙板无明显破坏。图 6加载至 10 mm 时试件破坏现象当水平位移加载至 15 mm（兹=1/200）时，梁柱裂缝继续发展；墙板左下角、右上角各出现 1 条斜向微裂缝（见图 7）。当水平位移加载至 2030 mm 阶段，梁柱裂缝不断增加和变宽，墙板左下角裂缝微裂缝逐渐延伸，中间墙板板顶裂缝扩展，最大宽度为 5 mm。图 7加载至 15 mm 时试件破坏现象唐丽娜，等：组合式烧结隔墙板-钢筋混凝土框架结构抗震性能研究37新型建筑材料圆园23援08当水平位移加载至 35 mm（兹=1/85.7）时，框架裂缝数量增加和扩展，最大宽度达到 5 mm，中间墙板顶部部分碎裂掉落（见图 8）。图 8加载至 35 mm 时试件破坏现象当水平位移加载至 50 mm（兹=1/60）时，梁柱节点处出现多条贯穿裂缝，梁端部出现竖向贯穿裂缝，左柱底混凝土裂开，并出现局部剥落（见图 9）。当水平位移加载值达到弹塑性层间位移角限值 1/50（驻=56 mm）时，试件承载力仍在上升，框架基本无新裂缝产生，原有裂缝继续扩展。图 9加载至 50 mm 时试件破坏现象当水平加载位移增加至 60耀100 mm 时，节点处出现多条横向贯穿裂缝，梁的 2 端出现竖向贯穿裂缝，左、右柱出现横向贯穿裂缝，同时伴有混凝土块剥落；中部墙板（1/4 墙高和1/2 墙高）处出现破裂脱落，左边墙板顶部碎裂，右边墙板 1/4墙高与柱接缝处粘结剂开裂，同时出现 1 条斜向贯穿裂缝（见图 10）。加载承载力降到峰值承载力的 85%以下，试件破坏。图 10试件破坏现象综上，加载初期，框架的位移较小，虽然框架局部出现裂缝，但由于墙板与框架间采用 U 型连接件连接，且墙板与框架间设置有允许变位的缝隙，墙板未受到框架明显挤压，未出现明显裂缝。随着变形增加，墙板开始受到框架挤压，出现裂缝，并不断发展。加载后期，随着框架变形增加，墙板裂缝不断延伸、加宽，局部墙板表层破碎掉落，中间墙板轻微外翻，但最终墙板之间未有明显错动和倒塌。3试验结果分析3.1滞回曲线及骨架曲线（见图 11）图 11荷载-位移曲线由图 11（a）可见，在加载初期，试件的水平承载力与位移曲线基本呈线性变化，此时基本不存在残余变形，滞回环面积也较小，表明试件耗能很小，试件处于弹性工作阶段。随着加载位移的逐渐增大，曲线呈梭形，滞回环包围面积渐渐增大，并向位移轴倾斜靠近，说明试件的耗能增加并进入弹塑性工作阶段，此时，试件已不能恢复到原始状态，已产生明显的残余变形。试件的滞回曲线饱满，无明显的捏拢，说明试件具有较好的耗能能力。连接滞回环上各级加载的峰值点，得到骨架曲线如图 11（b）所示，采用 Park 法确定的试件特征值，见表 2。试件的骨架曲线呈 S 形分布，说明试件经历了弹性、弹塑性和塑性破坏过程。曲线正负向比较相似，各加载级正负向承载力大小较接近。当弹塑性层间位移角限值为 1/50（驻=56 mm）时，试件承载力仍在上升，没有下降趋势，墙板的刚度较大，给框架提供了唐丽娜，等：组合式烧结隔墙板-钢筋混凝土框架结构抗震性能研究38晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂开裂屈服峰值极限Fcr/kN驻cr/mmFy/kN驻y/mmFm/kN驻m/mmFu/kN驻u/mm兹u2201.21/2458255.6151/187410.4701/140331.41001/28兹cr兹y兹m表 2试件特征点参数及位移延性系数斜撑作用。在试件屈服后，正负向承载力上升缓慢，达到峰值承载力后，正向承载力下降与负向接近。试验结束时，正向承载力下降至峰值承载力的 80.8%，负向承载力下降至峰值承载力的 83.1%。3.2刚度退化采用割线刚度来表征试件刚度，分析试件的刚度退化情况。根据 JGJ/T1012015 建筑抗震试验规程，割线刚度根据式（1）计算：Ki=+Fi+-Fi+Xi+-Xi（1）式中：Ki第 i 级荷载下试件的刚度，kN/mm；依Fi第 i 次正反向峰值点荷载，kN；依Xi第 i 次正反向峰值点位移，mm。试件刚度退化曲线如图 12 所示。图 12刚度退化曲线由图 12 可见，加载过程中试件刚度持续、均匀、明显退化。当水平加载位移为 10 mm 时，试件刚度退化最快，此时框架有一定数量裂缝，因此试件刚度迅速降低。在试件屈服之前，刚度退化曲线较为陡峭，退化速度较快。随着裂缝的出现和发展，墙板和框架的损伤累积。在试件屈服后，已有裂缝宽度增加，新裂缝产生较少，此时，试件进入塑性工作状态，刚度退化的速度减缓。3.3延性系数和耗能能力根据 JGJ/T 1012015，按式（2）计算试件的延性系数 滋：滋=驻u/驻y（2）式中：驻y屈服位移，mm；驻u极限位移，mm。经计算，试件的延性系数为 6.67，说明试件延性良好，在破坏之前可以承受较大的非线性变形，耗散较多能量。试件的能量耗散能力可以通过能量耗散系数E、等效粘滞阻尼系数 灼eq表征，等效粘滞阻尼系数越大，试件的能量耗散能力越强。能量耗散系数 E 和等效粘滞阻尼系数灼eq按式（3）、式（4）计算：E=S（ABC+CDA）S（OBE+ODF）（3）灼=S（ABC+CDA）2仔S（OBE+ODF）（4）式中：S（ABC+CDA）图 13 中滞回环包围的面积，mm2；S（OBE+ODF）图 13 中三角形 OBE 与 ODF 的面积之和，mm2。图 13等效粘滞阻尼系数计算由式（3）计算可得，试件的能量耗散系数 E 在 0.31391.2172，由式（4）计算可得，等效粘滞阻尼系数 灼eq在 0.05000.1938，说明试件整体耗能能力较好。试件耗能曲线如图 14 所示。图 14试件的耗能曲线由图 14 可见，试件的 2 次循环耗能曲线变化趋势基本相同，呈抛物线式增长。当加载位移至 25 mm 时，试件的能量耗散逐渐增大，此时墙板开始参与耗能，使整体结构的耗能能力增强。因此，烧结隔墙板有助于钢筋混凝土框架耗能，减缓框架强度退化。（下转第 58 页）唐丽娜，等：组合式烧结隔墙板-钢筋混凝土框架结构抗震性能研究39新型建筑材料圆园23援08（上接第 39 页）4结论与建议（1）烧结隔墙板与框架柔性连接可有效减轻墙板在小震作用下的破坏；墙板内部设置连续钢筋，有效提升墙板的整体性，避免墙板在地震作用下的平面外倒塌。（2）烧结隔墙板-钢筋混凝土框架结构在试验过程中，经历了弹性、弹塑性以及破坏 3 个阶段。墙板给框架提供了支撑作用，参与耗能，使得整体结构耗能能力增强。（3）U 型连接件可防止墙板发生平面外翻转，建议适当增大 U 型连接件厚度，增加 U 型连接件长度。参考文献：1李碧雄.地震中砌体填充墙和 RC 框架梁柱协同作用机理J.建筑结构，2015（4）：97-96.2王巧云，韩晓健，万里.建筑节能用新型轻质隔墙板的振动台模拟地震试验研究J.新型建筑材料，2015，42（6）：69-72.3封叶，王庆华，刘家钦等.EPS 颗粒-EPS 板复合保温墙板的力学性能研究J.新型建筑材料，2014，41（7）：10-12，15.4孙剑，李碧雄，孟春阳，等.墙板与框架梁柱间连接方式对结构抗震性能的影响J.建筑结构，2019，49（8）：16-21.5廖桥，李碧雄，石宇翔，等.轻质墙板填充墙钢筋混凝土框架抗震性能试验研究J.建筑结构，2018，39（S1）：44-51.6秦士洪，郑鸿翔，张京街等.ALC 墙板钩头螺栓连接节点平面外抗冲切试验研究J.建筑科学与工程学报，2022，39（5）：142-149.蒉17Khan Muhammad Shoaib.Seismic performance of deficient RCframes retrofitted with SMA-reinforced ECC column jacketingJ.Innovative Infrastructure Solutions，2021，6（3）：26-28.18Lei H，Wang Z，Tong L，et al.Experimental and numerical in原vestigation on the macroscopic mechanical behavior of shapememory alloy hybrid composite with weak interfaceJ.Compos原ite Structures，2013，101（15）：301-312.19王振清，梁文彦，周博.形状记忆材料的本构模型M.北京：科学出版社，2017.20王蓓.打结形状记忆合金纤维复合材料拉伸拔出的实验研究D.北京：北京交通大学，2008.21杨斌，雷红帅，王振清，等.SMA 丝表面纳米 SiO2改性对 SMA/环氧树脂复合材料界面粘结强度的影响J.复合材料学报，2015，32（5）：1341-1348.22朱同舟，袁国青.压痕 SMA 丝复合材料界面本构与性能分析J.复合材料科学与工程，2021（1）：40-46.23Choi E，Kim D，Lee J H，et al.Monotonic and hysteretic pulloutbehavior of superelastic SMA fibers with different anchoragesJ.Composites Part B：Engineering，2017，108：232-242.24高淑玲.PVA 纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究D.大连：大连理工大学，2006.25Li V C，Wang Shuxin，Wu C.Tensile Strain-Hardening Behav原ior of PVA-ECC J.MaterialsJournal，ACI，2001，98（6）：486-492.26Weimann M B，LI V C.Hygral behavior of engineered cementi原tious composites（ECC）J.Int J Restorat Build d Monuments，2003，9（5）：513-534.27李艳，梁兴文，刘泽军.PVA 纤维增强水泥基复合材料：性能与设计J.混凝土，2009（12）：54-57.28Atli K C，Karaman I，Noebe R D，et al.Shape memory charac原teristics of Ti49.5Ni25Pd25Sc0.5high-temperature shape memory al原loy after severe plastic deformationJ.Acta materialia，2011，59（12）：4747-4760.29Kim H Y，Jinguu T，Nam T，et al.Cold workability and shapememory properties of novel Ti-Ni-Hf-Nb high-temperatureshape memory alloysJ.Scripta Materialia，2011，65（9）：846-849.30高丹盈，BBrahim.纤维聚合物筋与混凝土粘结性能的影响因素J.工业建筑，2001，31（2）：9-14.31Zhou Y，Chen X，Fan Z，et al.Bond behaviors of FRP-to-con原crete interface under the control of a novel end-anchorage sys原temJ.Composite Structures，2017，168：130-142.32Dehghani A，Aslani F.Effect of 3D，4D，and 5D hooked-end typeand loading rate on the pull-out performance of shape memo原ry alloy fibres embedded in cementitious compositesJ.Con原struction and Building Materials，2021，273：121-142.33喻俊霖.预应力锚杆锚固段应力分析和临界长度研究D.武汉：中国地质大学，2021.蒉付青石，等：形状记忆合金纤维与高延性水泥基复合材料基体的界面粘结性能的影响58